[科普中国]-地球遥感

发展历史

150年前，L.J.M.Dguerrea和J.N.Niepce发明的银板照相术为现代摄影技术奠定了基础，也提供了一种记录遥感图象的方法。

20年后即1859年，G.F.T.Clateu在气球上拍摄的巴黎可谓世界上第一张航空像片。中国的风筝在早期也是一种重要的空中平台，在1906年G.R.Lawrence拍摄的1.4mx2.4m的巨幅像片—大地震后的旧金山，就是用17个风筝把相机带到空中拍摄的。第一张有据可查的从飞机上拍摄的航空像片是1909年由W.Wrihgt驾驶的飞机在意大利上空拍摄的。第一次世界大战期间，航空像片广泛用于军事侦察，并取得了良好的效果。第二次世界大战中，航空摄影技术得到了进一步发展，出现了彩色照片和用于识别伪装的彩色红外照片。第一张用火箭拍摄的地球像片是战后初期用V—2火箭将相机带到高空拍摄的。

1960年前，探险者6号卫星第一次从空间拍摄了地球像片。稍后，1960年美国宇航局发射了第一个系列空基观测平台—泰罗斯1号气象卫星。平台的飞行轨道与卫星的用途有关。例如，拍摄地球图象的载人空间飞行平台沿近赤道轨道飞行；大多数气象卫星按极地轨道运行；而位于赤道上方高度为35400km的同步气象卫星则与地球自转的角速度相同，从地面看它是静止不动的。

1972年美国宇航局发射的地球资源卫星(后改名为陆地卫星1号)按低高度的极地轨道运行，它每隔18天对整个地球扫描一遍，其上装有高分辨率的成象遥感器，是第一个可用来详细研究地理现象的空间平台。遥感器的分辨率越高，每幅图象的信息量也越大，而平台上磁带机的存贮量却有限。为了避免丢失数据，在80年代中期着手发射跟踪和数据中继卫星。它由三颗同步通讯卫星组成，任何成象卫星在任何时侯至少可与其中的一颗保持联络，从而实时地将图象信号通过它传送到地面接收站。1

2005年底, 俄罗斯计划发射实验型地球遥感卫星Monitor-E, 目前, 该卫星正在赫鲁尼切夫(Khrunichev)中心进行最后试验。它采用了非密封式的模块式设计, 是一种拥有智能星载系统的新一代航天器。该航天器装备两架分辨率分别为8m和20m的电子光学照相机。Monitor-E重750kg, 几乎都是俄罗斯宇航业界研发的最先进的设备及专用元件。Monitor-E的成功研制将标志着该中心研发先进航天系统所取得的重要成就,也使得俄罗斯成为第一个研发与大型航天器具有同样性能的小型航天器来进行环境监测的国家。2

应用领域从太空拍摄的高分辨率图像可用于透视地球上人们生活的方方面面。通过卫星跟踪停车场中的汽车类型，进而预测未来汽车的零售趋势；拍摄地面矿井状况的高空图像可反映出矿场的产出能力；个人和企业每天的各种行为，如运输货物、在大商场中购物、砍伐树木、在夜间关灯等，都能够以某种方式在卫星图像中得到记录。大数据公司已经可借助过滤交易记录等互联网数据，洞察消费者行为，了解世界各国的经济状况。

而高高悬在太空的卫星，掌控着几乎还未开发的大数据库，这些数据有可能揭开许多公司和政府迫切需要的信息与知识。超过90%政府信息和95%商业信息均与地理空间信息密切相关，从太空洞察地球变化信息，让地表信息尤其是精确的地理空间信息，变得易于获取而且有用将是地球遥感信息变化应用的必然趋势。3

遥感探测的物理参数为简化起见，我们这里仅讨论被动遥感成象系统，它的工作波段从可见光至热红外波段(0.4—20μm)。

在可见和近红外波段，最重要的物理参数是反射比，反射比不仅与地物有关，也与波长有关.。多波段遥感器波段划分和选择的依据就是这些光谱曲线体的发射率及大气效应的影响，可根据遥感器记录的长波红外图象来算出地表的温度。

为了区分不同的地物，必须提高遥感器的辐射度分辨率。例如，水中叶绿素浓度有了明显的变化，而反射比仅改变千分之几，如要探测出叶绿素浓度的改度，则辐射度分辨率必须达到这个数量级。

成象系统的另一个分辨率是空间分辨率，即遥感器探测到的目标的最小尺寸。它通常取决于探测元投影在地面上的尺寸，也是系统的最小取样面积。

此外还有一个光谱分辨率，即光谱通道的带宽。如图中每个光谱通道的光谱分辨率是0.1μm。提高光谱分辨率即减小带宽，探测器接收的总光子数将减少，使系统的信噪比减小，导致辐射度分辨率下降。1

遥感器种类胶片相机遥感器胶片相机遥感器具有便宜、分辨率高的特点，它是载人空间飞行计划中最有用的成象遥感器，双子星座、阿波罗和天空实验室计划中就是用各种胶片—相机遥感器获得了大量图象。通常，相机采用普通的35mm或70mm型，配以长焦距镜头和大量的暗盒。为载人飞行还专门研制了一些特殊的大视场、高分辨率相机。

例如航天飞机上用的大相幅相机，它的相幅是230mm×460mm，对应的地面分辨率约15m。如航天飞机的高度是300km，成象面积是225×450km2。采用不同的胶片—滤光片，可获得可见—近红外光谱区内不同波段的图象。1

多光谱电子—光学遥感器照相胶片虽然便宜、分辨率高，但胶片必须回收，且飞行平台上装载的胶片也有限，故不适合长期在轨道上工作。

专门研究地球资源的实用型卫星上安装的电子—光学遥感器可长期在轨道上工作。陆地4号和5号上的遥感器采用“帚扫”式扫描器成象，它们用一振动镜垂直于平台飞行方向来回振动，象用扫帚扫地似地不断向前进，成象于探侧器上的地面景物也不断地改变。探测器将图象的光信号转换成电信号，电信号可实时地传输下来或存贮在平台上的磁带机上，当平合经过地面站上空时再快速传输下来。探测器是一组配有不同光谱滤光片，的探测器列阵，各探测器输出的信号反映地面景物在该特定光谱波段内的光强，因而扫描器能产生多个光谱波段的图象。1

超多光谱遥感器成象遥感器最新、最激动人心的进展是出现了超多光谱遥感器.SPOT，TM，MSS和AVHRR等多光谱遥感器的光谱分辨率约10nm，超多光谱遥感器的光谱分辨率约10nm，提高了10倍.美国宇航局试图从两个途径来实现上述目标，具体体现在两台实验型遥感器上：航空图象光谱仪—IAS—2和高级可见—近红外成象光谱仪—AVIRS。计划中的航天成象光谱仪是HIRIS和MODIS，它们于90年代中期发射上天。

这些航空超多光谱遥感器的空间分辨率较低在1mrad左右，而SPOT为12μrad。在遥感器设计中高空间分辨率和高光谱分辨率不能兼得。因为物体进人遥感器的总光子数是有限的，这些光子或分到许多光谱波段中或分到许多象元中，若两者都满足将降低整机的信噪比.

提高信噪比和光谱、空间分辨率的办法是加大聚光系统或增加取样积分时间(即慢扫描)，但大聚光系统非常昂贵，而扫描速率主要取决于轨道的动态特性。因而在相当长的时间内提高空间分辨率还是提高光谱分辨率之争将延续下去。1

国际地球遥感系统目前，陆地遥感资料是从6颗卫星上获取的，这些卫星由5个国家所操纵。到20世纪末，在轨运行的遥感卫星大概有50颗，这些卫星并不都是用于陆地观测，当然也不都是用于商业目的。

遥感卫星根据应用分为三类：1)气象卫星;2)科学卫星;3)商业卫星。无论是科学的还是商业的都将提供地球观测资料。

气象卫星以美国国家海洋与大气管理局的工作型极轨气象卫星为例，它们提供的资料可用于全球气象预报与资源调查。现有120多个国家的1000多个地面站从这些极轨卫星上接收天气图。另外卫星所提供的资料可用来监测海水情况及预测旱情。

科学卫星一些地球观测平台可归于这一类，它们提供的资料可用于环境研究。这类研究可以是研究性的，也可以是试验性的，但不是商业性的。例如，印度发射的IRS一IA就是一颗工作型科学卫星，它的主要任务是提供国家资源和环境监测方面的图片资料。

商业卫星设计实用的商业卫星最终目的是要盈利。这些卫星的设计、制造、发射和运行费用要从投资收益中支付。设计者期望通过销售图片资料和提供服务及包建地面基础设施时得到收益。目前，只有陆地卫星和SPOT卫星可以认为是商业卫星，但它们不是提供商业性资料的唯一系统。从1987年起，前苏联已开始销售MKF和KATE遥感器系统所获取的资料，尽管没有正式宣布这是一个商业系统，但是这样做，无疑形成了一种商业竞争。同样，极轨气象卫星获取的资料也有商业价值，至少是在美国与陆地卫星和SPOT卫星争夺客户。

这些卫星所获资料的空间分辨率、光谱分辨率、价格和使用价值差异较大，但大多数卫星获取的资料可以相互补充，因而激发了用户购买的热情。4